Simple 2D-Strömungssimulation im Turbinengitter

Verehrtes Forum,

ich dachte mir, ich wende mich einfach mal an diese Stelle, vielleicht ist ja ein Ingenieur dabei der mir spontan weiterhelfen kann:

Undzwar möchte ich gerne die Geschwindigkeitsverteilung auf dem Schaufelprofil einer sich im Turbinengitter befindlichen Schaufel berechnen. Ich brauche die Geschwindigkeit auf Saug- und Druckseite in Abhängigkeit der Anströmung und der Sehnenlänge (1. Hauptaufgabe der Aerodynamik). Die Geschwindigkeitsdreicke, Winkel, die Profil-Geometrie (basierend auf Bezier-Kurven) und die thermodynamischen Größen vor und nach dem Gitter sind bekannt.

Was ich bisher kennengelernt habe sind die Verfahren im Bezug auf die Singularitätenmethode oder die der konformen Abbildung. Ich habe schon so manche wissenschaftliche Paper und Bücher gewälzt (genannt seien Traupel, Imbach, Mertensen, Stanitz, Weinig usw.), werde aber nicht so recht schlau daraus und brauche etwas möglichst einfaches, aber trotzdem vielleicht modernes. Ich habe einige schöne Tools zur Berechnung der Strömung um ein einzelnes Airfoil gefunden (JavaFoil (M.Hepperle), XFOIL (M.Drela), oder die Panel Method Applet (W. Devenport)) aber leider gibt es sowas nie für ein ganzes Gitter in einer Turbine. Sowas gibt es beim Euler-Solver "MISES" von Mark Drela (MIT), aber ich brauche eine Methode, die ich selbst in der Sprache C# in eine Design-Umgebung (Pacelab) programmieren kann.

Ich brauche eine stetige Methode die mir reibungsfrei, subsonisch (tanssonisch wäre schön, muss aber nicht sein) und mit Kompressibiliätseinfluss die Tangentialgeschwindigkeit am Profil berechnen kann.

Es gibt natürlich jetzt komplizierte Navier-Stokes oder auch Euler-Verfahren, die mir die gesamte Strömung um das Gitter herum bis hoch in den supersonischen Bereich berechnen können, aber das braucht es gar nicht. Erstens bin ich weder ein Profi, was numerische Rechnungen, noch was das Programmieren solcher angeht und zweitens habe ich auch keine 3 Monate Zeit um mich in irgend ein komplexes Modell einzuarbeiten und habe auch drittens kein Geld für irg eine Software.

Hat jemand von euch ein Stichwort, eine Methode, eine wissenschaftliche Arbeit, oder irg einen Anhaltspunkt, die mir substantiell weiterhelfen kann?

Entschuldigt wegen des speziellen Themas und einen schönen Abend noch

Es grüßt,
Solareclipse

Die Aufgabenstellung konnte ich auch nicht so recht rausziehen. Du musst die Umströmung einer einzelnen Schaufel zwingend mittels einer selbstprogrammierten Methode berechnen? Oder doch ein ganzes Gitter? Du widersprichst dir da etwas.

Geschwindigkeitsverteilung auf dem Schaufelprofil einer sich im Turbinengitter befindlichen Schaufel berechnen... aber leider gibt es sowas nie für ein ganzes Gitter in einer Turbine.

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Liegt die Geometrie und/oder das Netz schon vor? Muss ein Modell aufgebaut werden, liegen experimentelle Werte vor, geht es nur um das Programmieren, die Mathematik, Numerik oder was ist es genau?

Direkt kann ich dir nicht weiterhelfen, aber würde dich OpenFOAM vielleicht weiterbringen? Es ist opensource, FVM, basiert auf C++ und beinhaltet eine Menge Testmodelle von 2D-Airfoils, die du an deine Bedürfnisse anpassen könntest, sofern du dich ein wenig mit dem Vernetzen auseinandersetzt. Pre- und Postprocessor sind im Paket mit drin.

Hallo Müs Lee,

deine erste Frage ist korrekt. Ich muss in einer bereits vorhandenen C# Umgebung eine Methode programmieren, mit der ich die Geschwindigkeitsverteilung eines Profils in einem Gitter bekomme. Es ist ja etwas anderes, ob ich ein einzelnes Profil habe, das mit einem Anstellwinkel angeströmt wird, oder ob ich ein Gitter von Profilen habe. Im Gitter beeinflussen sich die Profile ja gegenseitig, deshalb ist es ein Spezialfall.

Open FOAM hab ich schon heruntergeladen gehabt, habe es aber nicht wirklich zum Laufen gebracht und kenne mich auch allgemein mit CFD, Gittergenerierung, Pre- und Postprocessing nicht aus.

Schade, vielleicht weiß jemand anders was?
Danke trotzdem dir

OpenFOAM ist verzwickt, man braucht anfangs starke Nerven. Wo hängt es denn? Läuft es unter Linux oder Windows? (OF für Windows ist nicht zu empfehlen) Für Linux gibt es Preprocessor wie HelyxOS, die das ganze etwas erleichtern, aber es ist nur bis OpenFOAM Version 2.4 kompatibel. Bei neueren Versionen muss man die Inputfiles manuell anpassen, da sich manches änderte. Wenn die Zeit reicht und natürlich falls es dich in deiner Aufgabe weiterbringt, kannst du dir das mal reinziehen: https://wiki.openfoam.com/"3_weeks"_series Falls nötig kann ich dir in Sachen OF oder Vernetzen ggf ein wenig helfen, beim Rest leider nicht.

Also der erste Anatz, der einem spontan einfallen würde, wäre natürlich die Strömung mit einem FV-Verfahren zu simulieren. Zu den benachbarten Seiten bräuchtest du dann eine Randbedingung à la Rand_oben=Rand_unten

Ein anderer Ansatz wäre evtl, die Geschwindigkeitsverteilung wie bei einem Profil mit der Skelett-Theorie zu berechnen. Dort evtl. tatsächlich ein Gitter aus drei versetzten Schaufelprofilen ansetzten und einfach die induzierten Geschwindigkeiten überlagern. Klar, dass dazu aber die Strömung im deutlich subsonischen Bereich liegen sollte, was wahrscheinlich eher nicht zutreffen wird.

Darf man eigentlich fragen, was du wo studierst bzw. in welchem Rahmen du dieses Problem zu lösen hast?

Edit: Ich sehe gerade, wir hatten schon mal das Vergnügen. Frag doch mal beim IAG

@Müs Lee:
Ja ich war auch zuerst total begeistert, als mir ein Institutsmitarbeiter gesagt hat, mit OpenFoam würde das hinhauen, dann hab ichs mir gleich heruntergeladen und versucht über die Virtual Machine zum Laufen zu bringen, aber ich bin nicht einmal in irgend ein Menü oder so reingekommen. Bei der ganzen Initialisierung hats schon gehapert und ich weiß auch nie, was ich in diesem CommandWindow bei diesen Linuxprogrammen reintippen soll Ich geb zu, ich hab nicht allzu viel Zeit investiert, vielleicht 1 - 1,5 h. Aber mir ist es sowieso nicht gestattet so ein externes Programm zu nutzen, von daher lieb gemeint von dir und danke, aber mit openFoam wird das wohl leider nix.

@simpsonfan:

Was deinen Hinweis mit dem IAG angeht, das habe ich bereits getan und mir wurde dort auch weitergeholfen. Die Leute dort sind einfach sehr nett "Leider" mache ich meine Arbeit an einem anderen Institut und kann deshalb die Expertise vom IAG nicht so sehr in Anspruch nehmen (das ist eig tatsächlich ein klassisches IAG-Thema, da hast du Recht).
FiniteVolumenVerfahren ist glaub ich zu aufwendig. Es sei denn du kannst mir eine Quelle geben, in der exakt und für einen Laien beschrieben wird, wie das in dem speziellen Fall angewandt wird

OpenFOAM ist leider nix zum Einfachmalsomachen. Es gibt kein GUI und damit kein Menü. Wenn man Ubuntu nutzt, kann man einfach eine Binarydatei (wie eine .exe) ziehen und installieren, der Rest läuft über die Konsole. Sprich mit Konsole in den Ordner navigieren oder dort öffnen, je nach Version OF initialisieren (zB durch Eintippen von "of301" bei Version 3.0.1, ab 4.0 nicht mehr notwendig), dann den gewünschten Solver (zB icoFoam, pisoFoam...) eintippen und starten, ggf. parallelisiert. Ich hatte auch meine Mühe, das geht jedem am Anfang so. Aber "schade", dass das eh nicht drin ist.

FVM ist an sich mathematisch noch recht einfach und eben konservativ, FEM ist zwar sehr ausgereift aber eine ganze Ecke komplexer. Sehr einfach wäre die Linienmethode oder FDM, letztere benötigt aber ein sehr regelmäßiges Netz. Musst du denn auch die ganzen Solvereinstellungen programmieren? Sprich Konvergenz-, Abbruchkriterien, implizites/explizites Näherungsverahren, Integrationsverfahren oder gehts nur um das physikalische Modell? Wenn du alles machen möchtest/musst, kannst du dir im Falle von FVM das Buch "The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics" von Moukalled et al. ansehen (Achtung, sehr dick!). Der Code von OpenFOAM kann natürlich eingesehen werden. Bei FEM kann dir die Dokumentation von Abaqus eventuell weiterhelfen, dort ist eigentlich alles sehr gut dokumentiert (Achtung, gut 5000 Seiten!), natürlich ohne Code. Ich kenne mich mit C# nicht aus, aber Umgebungen wie Matlab besitzen Routinen für alles Mögliche, auch zum Lösen von ODEs oder DAEs. Gibt es das auch für C#?